Нелинейные акустические метаматериалы: физические свойства и диагностика

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-12-00098

НазваниеНелинейные акустические метаматериалы: физические свойства и диагностика

Руководитель Руденко Олег Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-402 - Нелинейные колебания и волны

Ключевые слова композит, метаматериал, волна, нелинейность, диагностика, экзотическая среда, математическая модель, ударная волна, генерация гармоник, эксперимент, уникальное оборудование

Код ГРНТИ29.37.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Сегодня в мировой литературе наблюдается взрывной рост числа публикаций, посвященных физическим свойствам искусственных композитов и метаматериалов, технологиям их создания и методам диагностики. Примером первых ярких достижений могут служить среды с гетероструктурами, работы по которым активно велись в 1960-70 гг. За их создание Ж.И. Алферов получил в 2000 г. Нобелевскую премию. В те же годы появилась статья В.Г. Веселаго [УФН 92 517 (1968)], где показано, что коэффициент преломления может принимать и отрицательные значения. Это происходит, когда электрическая и магнитная проницаемости оказываются отрицательными. Предсказание сбылось через 33 года, когда D.R.Smith сделал композитный материал с отрицательным преломлением, а J.B.Pendry показал, что плоская «отрицательная» линза обладает высокой разрешающей способностью. Важность этих работ общепризнана. Свидетельством является присутствие имени В.Г. Веселаго в прогнозах на присуждение Нобелевской премии. Например, он был указан одним из первых в шорт-листе 2011 г. Идеи В.Г. Веселаго вышли за рамки электродинамики и оптики; они имеют фундаментальное общефизическое значение. Так, в феврале 2011 г. состоялась сессия Отделения физических наук РАН «Электромагнитные и акустические волны в метаматериалах и структурах». После «забойного» выступления В.Г. Веселаго нашими сотрудниками (физфак МГУ) были доложены первые результаты по «экзотическим средам» в акустике. Сегодня секции по таким материалам организуются практически на всех крупных международных конференциях и конгрессах по акустике. Эти среды уже используются в изделиях различного назначения. Интересными новыми физическими свойствами обладают нелинейные акустические метаматериалы. Известно, что структурная нелинейность может на порядки превышать физическую и геометрическую нелинейности (см. обзор О.В. Руденко [УФН 176 77 (2006)]). Исследование таких материалов начато недавно, но уже сулит большую практическую пользу. Выделяются сильно нелинейные (SN) материалы, содержащие особенности (концентраторы напряжений, сжимаемые включения, ограничители смещений узлов решетки). Сам термин SN и классификация SN-материалов предложены руководителем Проекта [О.В. Руденко, в книге: Нелинейные волны 2012 / Ред. А.Г.Литвак, В.И.Некоркин, Изд. ИПФ, Н.Новгород, 2013]; [Rudenko O.V., Hedberg C.M. Acoustical Physics 59 (6) 655 (2013)]. Предложено различать сильно нелинейные (SN) волны и слабые волны с сильно выраженной нелинейностью. В большинстве случаев имеют дело со слабыми волнами, для которых определяющие уравнения могут быть разложены в степенные или функциональные ряды. Пример – «акустическое разложение» адиабаты по степеням возмущений плотности и давления в окрестности равновесного состояния. Члены этого ряда соотносят с квадратичной, кубичной и нелинейностями высших порядков. В оптике вектор поляризации разлагают по степеням отношения электрического поля волны к внутриатомному полю. Однако разложения неудобно использовать в трех случаях. Во-первых, когда имеются особенности. Во-вторых, когда ряды расходятся в сильных полях. В-третьих, когда в разложениях отсутствует линейный член, зато доминирует высшие нелинейности. Пример первого типа - распределенные системы с (модульной) и (квадратично-кубичной) нелинейностями (см. обзор [Rudenko O.V., Hedberg C.M. Math.model.natural phenomena 13 (2) (2018)]). В них нет предельного перехода к линейным задачам даже для очень слабых сигналов. Такие SN системы начали изучаться экспериментально [Руденко О.В., Солодов Е.В. Акуст. журн. 57 (1) 56 (2011)]. Изготовлены SN элементы для их включения в матрицу метаматериала [Михайлов С.Г., Руденко О.В. Акуст. журн. 63 (3) 246 (2017); Акуст. журн. 64 (2) 246 (2018)]. Фундаментальное значение имеют наноструктуры с голономными связями, которые можно отнести к третьему типу SN систем. Примером служит модель кристаллической решетки, в которой узлы могут смещаться вдоль одного направления. Системы со связями можно изготовить искусственно, но они могут иметь и естественное происхождение. В них должны возникать особенности теплоемкости, теплопроводности и других физических характеристик. Теория волн в «экзотических» SN материалах основана на новых математических моделях, нетривиальным образом обобщающих уравнения типа Бюргерса, Кортевега-де Вриза, Островского-Вахненко, Хохлова-Заболотской. [Руденко О.В. Прикл.нел.динамика 26 (3) 7 (2018)]. Многие из них допускают точную линеаризацию и уникальны для математической физики. Физикам интересны новые явления – саморасщепление бегущих волн, их притяжение, коллапс, образование связанных состояний, взаимное поглощение. Например, уединенные волны в М-средах обнаруживают новые корпускулярные свойства; они сталкиваются как сгустки химически реагирующих веществ. Авторами экспериментально установлены особенности спектральных взаимодействий в структурно-неоднородных материалах. В обычной Q-среде третья гармоника пропорциональна кубу амплитуды монохроматического исходного сигнала и растет пропорционально квадрату расстояния. В поликристаллах сплава алюминия наблюдались отклонения от этих законов, что объясняется нелинейным трением на межзеренных границах или присутствием QC- элементов [Коробов А.И., Прохоров В.М.. Акуст. Журн. 62 (6) 661 (2016)]. Другие эксперименты описаны в [Korobov A.I., Kokshaiskii A.I.,at al. Phys.of Solid State 58. No.(12) 2472 (2016)]. Обнаружены аномалии в поведении линейных и нелинейных модулей упругости, установлены новые диагностические признаки, проведен большой цикл измерений с использованием новых материалов, изготовленных как в МГУ, так и партнерами из институтов РАН и организаций промышленности. Сегодня общепризнано, что благодаря исключительной проникающей способности УЗ волн и связанных с ними других типов возмущений в упругих телах (волны Рэлея и Лэмба, сдвиговые и клиновые волны) акустическая диагностика занимает основное место среди многочисленных методов изучения структуры твердых сред и материалов. Поэтому в МГУ создан «Центр неразрушающего контроля и нелинейной диагностики» (рук. А.И. Коробов), ведущий как изучение вновь создаваемых материалов, так и разработку новых методов их диагностики. Центр располагает уникальным оборудованием и фактически является одной из самых оснащенных научно-диагностических лабораторий России. Использование аппаратурного задела Центра, а также квалификации и опыта исполнителей предлагаемого Проекта позволит нам существенно продвинуться в следующих направлениях: – Создание композитных и метаматериалов, в том числе обладающих сильной нелинейностью, используемой как для управления спектрами сигналов, так и как диагностический признак. – Экспериментальное изучение реальных сред и искусственных структур, моделирующих свойства перспективных материалов. – Изучение волновых эффектов в акустических «отрицательных» средах типа сред Веселаго с целью их практического использования. – Развитие теории волн в сильно нелинейных материалах на основе создаваемых новых математических моделей. – Исследование физических характеристик двух- и трехмерных решеток с голономными связями (кристаллических структур с ограничениями движения узлов). – Изучение экзотических волновых эффектов в сильно нелинейных средах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. О.А. Васильева, О.В. Руденко A Relaxing Medium with “Linearly Weakening Memory”: Evolution of Intense Pulses Acoustical Physics, Vol. 65, No. 6, pp. 665–669 (год публикации - 2019)
10.1134/S1063771019060149

2. О.А. Васильева, О.В. Руденко Модульные «солитоны»: взаимное поглощение и аннигиляция в диссипативных средах Акустический журнал (год публикации - 2020)

3. К. В. Дмитриев, Е. В. Фадеев, О. Д. Румянцева Рассеяние запаздывающих волновых полей на точечной акустической неоднородности ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, том 84, No 2, с. 266–271 (год публикации - 2020)
10.31857/S036767652002009X

4. Дмитриев К.В., Румянцева О.Д. Features of the Solution of Direct and Inverse Scattering Problems for Inhomogeneities with a Small Wave Size Doklady Physics, Vol. 65, No. 9, p. 301–307 (год публикации - 2020)
10.1134/S1028335820090037

5. Дмитриев К.В. Взаимосвязь фаз и амплитуд мультипольных компонент акустического поля, рассеянного дискретными неоднородностями ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, том 85, № 1, с. 113–118 (год публикации - 2021)
10.31857/S0367676521010099

6. Дмитриев К.В., Румянцева О.Д. Scattering coefficients and calculation of acoustic fields in metamaterials Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 148, No. 4, p. 2537 (год публикации - 2020)
10.1121/1.5147045

7. Руденко О.В. Destruction of a Singularity of a Strongly Nonlinear Wave Profile in a Dissipative Medium Doklady Physics, Vol. 65, No. 5, pp. 169–173 (год публикации - 2020)
10.1134/S1028335820050092

8. Руденко О.В. Nonlinear Oscillations of a Chain of Masses in a Liquid Doklady Physics, Vol. 65, No. 7, pp. 238–241 (год публикации - 2020)
10.1134/S1028335820070046

9. Руденко О.В. Three Nonlinearities in Physics of Acoustic Flows Doklady Physics, Vol. 65, No. 9, pp. 317–322 (год публикации - 2020)
10.1134/S1028335820090104

10. Ширгина Н.В., Кокшайский А.И., Володарский А.Б., Одина Н.И., Коробов А.И. Features of amplitude frequency characteristics of ABS plastic 3D printed metamaterial sample Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2021)

11. Дмитриев К.В., Румянцева О.Д. Features of solving the direct and inverse scattering problems for two sets of monopole scatterers Journal of Inverse and Ill-posed Problems, V. 29, N. 5, P. 775-789. (год публикации - 2021)
10.1515/jiip-2020-0145

12. Коробов А., Кокшайский А., Жостков Р., Одина Н., Изосимова М., Володарский А. Numerical simulation of the effect of absorption on the transmission of acoustic waves through 3D-printed ABS-plastic metamaterial Journal of the Acoustical Society of America, V. 149, A108 (год публикации - 2021)
10.1121/10.0004667

13. Коробов А.И., Кокшайский А.И., Михалев Е.С., Одина Н., Ширгина Н.В. A Study of the Elastic Properties of the Polymer PLA by Static and Ultrasonic Methods Acoustical Physics, V. 67, N. 4, P. 375–380 (год публикации - 2021)
10.1134/S1063771021040060

14. Дмитриев К.В. The calculation of acoustic field in a metamaterial and determination of its inner structure using scattering coefficients Proceedings of Meetings on Acoustics (год публикации - 2021)

15. Кокшайский А.И., Володарский А.Б., Ширгина Н.В., Одина Н.И., Коробов А.И. Elastic properties of ABS-plastic acoustic metamaterial produced by 3D-printing method 2021 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), V. 978-1-6654-0355-9 (год публикации - 2021)
10.1109/IUS52206.2021.9593344

16. Руденко О.В. Нелинейная акустика в медицине (обзор) Physics of Wave Phenomena (год публикации - 2022)

17. Руденко О.В. Nonlinear Diagnostics, Acoustic Weighing, Andreev’s Hammer, and Probe Microscopes Doklady Physics, V. 66, N. 5, P. 147-151. (год публикации - 2021)
10.1134/S1028335821050062

18. Руденко О.В. Dispersive nonlinear acoustic waves Wave Motion, V. 113, 102990 (год публикации - 2022)
10.1016/j.wavemoti.2022.102990

19. Руденко О.В. Nonlinear Acoustic Waves in Liquids with Gas Bubbles: A Review Physics of Wave Phenomena, Vol. 30, No. 3, pp. 145–155 (год публикации - 2022)
10.3103/S1541308X22030098

Публикации

8. Руденко О.В. Nonlinear Oscillations of a Chain of Masses in a Liquid Doklady Physics, Vol. 65, No. 7, pp. 238–241 (год публикации - 2020)
10.1134/S1028335820070046

9. Руденко О.В. Three Nonlinearities in Physics of Acoustic Flows Doklady Physics, Vol. 65, No. 9, pp. 317–322 (год публикации - 2020)
10.1134/S1028335820090104

16. Руденко О.В. Нелинейная акустика в медицине (обзор) Physics of Wave Phenomena (год публикации - 2022)

18. Руденко О.В. Dispersive nonlinear acoustic waves Wave Motion, V. 113, 102990 (год публикации - 2022)
10.1016/j.wavemoti.2022.102990

Публикации

8. Руденко О.В. Nonlinear Oscillations of a Chain of Masses in a Liquid Doklady Physics, Vol. 65, No. 7, pp. 238–241 (год публикации - 2020)
10.1134/S1028335820070046

9. Руденко О.В. Three Nonlinearities in Physics of Acoustic Flows Doklady Physics, Vol. 65, No. 9, pp. 317–322 (год публикации - 2020)
10.1134/S1028335820090104

16. Руденко О.В. Нелинейная акустика в медицине (обзор) Physics of Wave Phenomena (год публикации - 2022)

18. Руденко О.В. Dispersive nonlinear acoustic waves Wave Motion, V. 113, 102990 (год публикации - 2022)
10.1016/j.wavemoti.2022.102990